Вакансии, дислоцированные и примесные атомы

Выше говорилось о том, что атомы в узлах решетки находятся в равновесном положении и обладают минимумом потенциальной энергии, что и обеспечивает строгий порядок в их расположении. Однако, было установлено, что этот порядок может нарушаться, и решетка реального кристалла имеет дефекты, связанные с тем, что атомы могут покидать узлы решетки и внедряться в междоузлия решетки. Для того, чтобы это произошло, атом должен получить избыток энергии, достаточный для преодоления энергетического барьера, удерживающего его в узле решетки. Эта избыточная энергия берется из энергии теплового движения атомов ближайшего окружения. Ближайшие атомы колеблются не строго согласованно, и случайное стечение обстоятельств может привести к такому перераспределению энергии их тепловых колебаний, при котором в некотором очаге появится энергия, достаточная

для выброса атома из его равновесного положения. Это перераспределение энергии между ближайшими атомами называется энергетической флуктуацией.

Флуктуация – эффект коллективный, в нем участвует группа атомов, а не только тот единственный, который, например, оказался выброшенным из своего узла. Просто именно он попал в область пика флуктуации, а мог бы попасть и любой другой из коллектива атомов, оказавшихся в очаге флуктуации.

Дефекты кристаллической структуры подразделяются на точечные, линейные и объемные.

К точечным дефектам относятся вакансии, дислоцированные и примесные атомы. При точечных дефектах нарушение решетки локализуется в отдельных точках и не превышает нескольких межатомных расстояний во всех трех измерениях.

К линейным дефектам относятся дислокации. При линейном дефекте искажение решетки в двух измерениях не превышает нескольких атомных расстояний, а в третьем измерении распространяется значительно, например, до границы зерна.

Объемные дефекты – это микропустоты, трещины и включения другой фазы.

Примеры точечных дефектов показаны на рис. 15.

Основным источником вакансий является свободная поверхность кристалла. Атом поверхностного слоя, под воздействием флуктуации может легко выйти их узла решетки и испариться, или еще легче - адсорбироваться на поверхности (см. рис. 16). На его месте образуется пустой узел – вакансия. Через некоторое время в эту вакансию может быть выброшенным близлежащий атом, в результате чего вакансия переместится во второй слой и т.д. Другими словами, вакансия втягивается вглубь кристалла. Образование вакансии в результате выхода атома на поверхность называется дефектом Шоттки.

Источником вакансий являются также границы зерен, пустоты, трещины и дислокации. Концентрация вакансий невелика. Если концентрацию исчислять, как число атомов, приходящихся на 1 вакансию, то для золота, например, она составляет 10¹⁹ при комнатной температуре и увеличивается до 10⁴ при температуре плавления, т.е. 1 дислокация приходится на 10000 атомов. Увеличение числа вакансий с повышением температуры связано с повышением амплитуды тепловых колебаний атомов и, соответственно энергии этих колебаний.

Возможен выброс атома и в междоузлие решетки, в результате чего образуются вакансия и дислоцированный атом (парный дефект Френкеля).

Однако, энергетические затраты при образовании такого дефекта существенно выше, чем при выходе атома в вакансию.

Рис. 17 иллюстрирует изменение энергии атома при выходе из узла плотноупакованной решетки. В узле он обладает минимумом энергии Е. Для того, чтобы выйти из узла, он должен «протиснуться» между атомами 1 и 2, т.е. как бы раздвинуть прутья решетки и преодолеть потенциальный энергетический барьер Е₁. Эту избыточную энергию он получает от соседних атомов и отдает, снова занимая место уже в новом узле. Таким образом, флуктуация – источник образования и вакансий, и междоузельных дислоцированных атомов.

Примеси являются одним из распространенных дефектов структуры реальных кристаллов. Современные способы очистки не позволяют получать абсолютно чистые материалы. В зависимости от природы примесей они могут находиться в кристалле, либо в междоузлии ячейки (атом внедрения), либо занимать место основного атома в узле ячейки (атом замещения). Т. к. чужеродные атомы по размерам отличаются от атомов основного кристалла, то их присутствие вызывает искажение решетки.

Примеси оказывают существенное влияние на химические, оптические, магнитные и механические свойства твердых тел. Данные по исследованию свойств предельно чистых металлов показали, что тщательно очищенное железо химически инертно и не подвергается коррозии, а титан, вольфрам и молибден, являющиеся хрупкими в обычном состоянии, становятся пластичными даже в условиях глубокого охлаждения.